JP4952313B2 - 蛍光検出装置及び生体高分子分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光検出装置及び生体高分子分析装置に関する。

様々な生物種の遺伝子の発現解析を行うためにＤＮＡチップや抗体チップ等の生体高分子分析チップやその読取装置が開発されている。生体高分子分析チップは、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡや抗体をスライドガラス等の固体担体上にマトリックス状に整列固定させたものである。例えば、ＤＮＡチップ及びその読取装置を用いた遺伝子の発現解析は次のようにして行う。

まず、既知の塩基配列を有した複数種類のｃＤＮＡ（以下、プローブＤＮＡという）をスライドガラス等の固体担体に整列固定させたＤＮＡチップを準備する。次に、検体からｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いてｃＤＮＡを合成し、標識物質で標識したものを用意する（以下、標識ＤＮＡという）。ここで、標識物質には蛍光体や化学発光基質、あるいは化学発光基質を発光させる酵素等を用いることができる。
次に、標識ＤＮＡをＤＮＡチップ上に添加すると、標識ＤＮＡが相補的なプローブＤＮＡとハイブリダイズすることによりＤＮＡチップ上に固定される。

次いで、ＤＮＡチップを読取装置にセッティングし、読取装置にて分析する。読取装置は、ＤＮＡチップに対して二次元的に移動する集光レンズ及びフォトマルチプライヤーによってＤＮＡチップを走査する標識物質により発した光を集光レンズで集光させ、光強度をフォトマルチプライヤーで計測することで、ＤＮＡチップの面内の光強度分布を計測し、これにより、ＤＮＡチップ上の光強度分布が二次元の画像として出力される。出力された画像内で光強度が大きい部分には、プローブＤＮＡの塩基配列と相補的な塩基配列を有した標識ＤＮＡが含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどの部分の蛍光強度が大きいかによって検体で発現しているｍＲＮＡを同定することができる。

また、複数の撮像素子を二次元アレイ状に配列してなる固体撮像デバイスの受光面にＤＮＡや抗体等のプローブ分子をスポットした生体高分子分析チップが開発されている。このような生体高分子分析チップでは、スポットに付着した標識ＤＮＡ等の生体高分子を標識する標識物質により発生する光を各光電変換素子により計測する。固体撮像デバイスの受光面にスポットが点在しており、受光面に付着された生体高分子と光電変換素子との間の距離が近いために標識物質から発した光が殆ど減衰せずに固体撮像デバイスの受光面に入射するため、僅かな光量でも計測が可能であるという利点がある。

ところで、撮像素子は温度が上昇すると暗電流が増大するため、ノイズが増大する。このため、撮像素子を冷却する冷却装置により撮像素子を一定温度に保つことが行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１１８９２５号公報

撮像素子を冷却するためには、その受光面に冷却材を接触させて冷却するのが効率的である。しかし、撮像素子の受光面に冷却材を配置した状態では、蛍光を計測するのに必要な励起光を受光面に照射ことができなかった。

本発明は、上記の問題を解決し、撮像素子を冷却するとともに、撮像時に受光面への光の照射を可能とする蛍光検出装置及びこれを用いた生体高分子分析装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光電変換素子を有し、受光面側に配置された蛍光体より放射される蛍光を検出する撮像装置と、前記光電変換素子が配置された範囲と範囲外との間で移動可能に設けられた受光面側冷却材とを備え、前記受光面側冷却材は、蛍光検出前に前記光電変換素子が配置された範囲に配置され、前記撮像装置を冷却するとともに前記光電変換素子の受光面を遮光し、蛍光検出時に前記光電変換素子が配置された範囲外に退去されることを特徴とする蛍光検出装置である。
請求項２に記載の発明は、光電変換素子を有し、受光面側に配置された蛍光体より放射される蛍光を検出する撮像装置と、前記光電変換素子が配置された範囲と範囲外との間で移動可能に設けられた受光面側冷却材と、前記撮像装置の裏側に配置され、前記撮像装置を冷却する裏側冷却材と、前記裏側冷却材と前記撮像装置との間に配置され、蛍光検出前に前記光電変換素子が配置された範囲に配置され、前記撮像装置を冷却するとともに、蛍光検出時に前記光電変換素子が配置された範囲外に退去される第二の裏側冷却材とを備えることを特徴とする蛍光検出装置である。
請求項３に記載の発明は、光電変換素子を有し、受光面側に配置された蛍光体より放射される蛍光を検出する撮像装置と、前記光電変換素子が配置された範囲と範囲外との間で移動可能に設けられた受光面側冷却材と、前記撮像装置の裏側に配置され、前記撮像装置を冷却する裏側冷却材とを備え、前記裏側冷却材には、前記光電変換素子が配置される範囲に開口が設けられていることを特徴とする蛍光検出装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の蛍光検出装置であって、前記撮像装置の裏側に配置され、前記撮像装置を冷却する裏側冷却材を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の蛍光検出装置であって、前記裏側冷却材と前記撮像装置との間に配置され、蛍光検出前に前記光電変換素子が配置された範囲に配置され、前記撮像装置を冷却するとともに、蛍光検出時に前記光電変換素子が配置された範囲外に退去される第二の裏側冷却材をさらに備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項２、４または５に記載の蛍光検出装置であって、前記裏側冷却材には、前記光電変換素子が配置される範囲に開口が設けられていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の蛍光検出装置と、前記撮像装置の受光面に設けられ、特定の生体高分子と結合するプローブとを備えることを特徴とする生体高分子分析装置である。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の生体高分子分析装置であって、前記プローブは既知の塩基配列からなる一本鎖ＤＮＡを有することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の生体高分子分析装置であって、前記プローブは特定の抗原と結合する抗体であることを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子を冷却するとともに、撮像時に受光面への光の照射が可能となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

［第１実施形態］
〔１〕生体高分子分析チップの全体構成
図１は、本発明の第１の実施形態に係る生体高分子分析チップ１の概略平面図であり、図２は、図１のII−II矢視断面図である。この生体高分子分析チップ１は、ＤＮＡを検出するＤＮＡチップである。
この生体高分子分析チップ１は、図１、図２に示すように、固体撮像デバイス１０と、隔壁４０と、スポット６０とを備える。

〔２〕固体撮像デバイス
ここで、図１〜図４を用いて固体撮像デバイス１０について説明する。図２に示すように、固体撮像デバイス１０は、透明基板１１と、ボトムゲート絶縁膜１３と、トップゲート絶縁膜２１と、保護絶縁膜２３とを積層してなる。これらの層間に、複数のボトムゲートライン１２ａ、ソースライン１８ａ、ドレインライン１９ａ、トップゲートライン２２ａ、電極ライン２４ａ及び、ダブルゲートトランジスタ２０を形成するボトムゲート電極１２、半導体膜１４、チャネル保護膜１５、不純物半導体膜１６，１７、ソース電極１８、ドレイン電極１９、トップゲート電極２２が設けられている。

透明基板１１は、後述する蛍光体が発する蛍光を透過する性質（以下、光透過性という。）を有するとともに絶縁性を有し、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート、ＰＭＭＡ等といったプラスチック基板である。

この固体撮像デバイス１０においては、光電変換素子としてダブルゲート型磁界効果トランジスタ（以下、ダブルゲートトランジスタという。）２０が利用され、複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列されている。
なお、図１では８行×８列の６4個のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…を備えるマトリクス状の二次元アレイを示すが、その数は任意であり、さらに多くの行及び列を有していてもよい。

図３は固体撮像デバイス１０のダブルゲートトランジスタ２０を示す平面図であり、図４は図３のIV−IV矢視断面図である。図３、図４に示すように、ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…は何れも、受光部である半導体膜１４と、半導体膜１４上に形成されたチャネル保護膜１５と、ボトムゲート絶縁膜１３を挟んで半導体膜１４の下に形成されたボトムゲート電極１２と、トップゲート絶縁膜２１を挟んで半導体膜１４の上に形成されたトップゲート電極２２と、半導体膜１４の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜１６と、半導体膜１４の別の部分に重なるよう形成された不純物半導体膜１７と、不純物半導体膜１６に重なったソース電極１８と、不純物半導体膜１７に重なったドレイン電極１９と、を備え、半導体膜１４において受光した光量に従ったレベルの電気信号を出力するものである。

ボトムゲート電極１２は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに透明基板１１上に形成されている。また、透明基板１１上には横方向に延在する複数本のボトムゲートライン１２ａ，１２ａが形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれのボトムゲート電極１２が共通のボトムゲートライン１２ａと一体となって形成されている。ボトムゲート電極１２及びボトムゲートライン１２ａは、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のボトムゲート電極１２及びボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…はボトムゲート絶縁膜１３によってまとめて被覆されている。すなわち、ボトムゲート絶縁膜１３は全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成された膜である。ボトムゲート絶縁膜１３は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン（SiN）又は酸化シリコン（SiO₂）からなる。

ボトムゲート絶縁膜１３上には、複数の半導体膜１４がマトリクス状に配列するよう形成されている。半導体膜１４は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立して形成されており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０においてボトムゲート電極１２に対して対向配置され、ボトムゲート電極１２との間にボトムゲート絶縁膜１３を挟んでいる。半導体膜１４は、平面視して略矩形状を呈しており、受光した蛍光の光量に応じた量の電子−正孔対を生成するアモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。

半導体膜１４上には、チャネル保護膜１５が形成されている。チャネル保護膜１５は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０において半導体膜１４の中央部上に形成されている。チャネル保護膜１５は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。チャネル保護膜１５は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜１４の界面を保護するものである。半導体膜１４に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜１５と半導体膜１４との界面付近を中心に発生するようになっている。この場合、半導体膜１４側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜１５側には電子が発生する。

半導体膜１４の一端部上には、不純物半導体膜１６が一部、チャネル保護膜１５に重なるようにして形成されており、半導体膜１４の他端部上には、不純物半導体膜１７が一部、チャネル保護膜１５に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜１６，１７は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜１６，１７は、ｎ型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン（ｎ⁺シリコン）からなる。

不純物半導体膜１６上には、ソース電極１８が形成され、不純物半導体膜１７上には、ドレイン電極１９が形成されている。ソース電極１８及びドレイン電極１９はダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。縦方向に延在する複数本のソースライン１８ａ，１８ａ及びドレインライン１９ａ，１９ａがボトムゲート絶縁膜１３上に形成されている。縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のソース電極１８は共通のソースライン１８ａと一体に形成されており、縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のドレイン電極１９は共通のドレインライン１９ａと一体に形成されている。ソース電極１８、ドレイン電極１９、ソースライン１８ａ及びドレインライン１９ａは、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のソース電極１８及びドレイン電極１９並びにソースライン１８ａ，１８ａ及びドレインライン１９ａ，１９ａは、トップゲート絶縁膜２１によってまとめて被覆されている。トップゲート絶縁膜２１は全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成された膜である。トップゲート絶縁膜２１は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。

トップゲート絶縁膜２１上には、複数のトップゲート電極２２がダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。トップゲート電極２２は、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０において半導体膜１４に対して対向配置され、半導体膜１４との間にトップゲート絶縁膜２１及びチャネル保護膜１５を挟んでいる。また、トップゲート絶縁膜２１上には横方向に延在する複数本のトップゲートライン２２ａ，２２ａが形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０のトップゲート電極２２が共通のトップゲートライン２２ａと一体に形成されている。トップゲート電極２２及びトップゲートライン２２ａは、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のトップゲート電極２２及びトップゲートライン２２ａ，２２ａは保護絶縁膜２３によってまとめて被覆され、保護絶縁膜２３は全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成された膜である。保護絶縁膜２３は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。

以上のように構成された固体撮像デバイス１０は、保護絶縁膜２３の表面を受光面としており、ダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜１４において受光した光量を電気信号に変換するように設けられている。

〔３〕隔壁
隔壁４０は保護絶縁膜２３上に密着され、固体撮像デバイス１０の受光面にウェル４２を形成する。隔壁４０は不透明であり、外部から光が入ることを防いでいる。
なお、固体撮像デバイス１０の受光面に、各スポット６０毎に複数のウェル４２を形成してもよい。

〔４〕スポット
図１、図３に示すように、ウェル４２内にはスポット６０が形成されている。各スポット６０は、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡ（プローブＤＮＡ６１）や抗体等の溶液をウェル４２内に滴下し、乾燥して形成される。以下ではプローブとして既知の塩基配列のｃＤＮＡを用いた場合について説明する。

１つのスポット６０では同じ塩基配列の一本鎖のプローブＤＮＡ６１が多数集まった群集がウェル４２内に固定化され、スポット６０ごとにプローブＤＮＡ６１は異なる塩基配列となっている。プローブＤＮＡ６１としては、既知のｍＲＮＡの塩基配列、またはその一部と同一の、あるいは相補的な塩基配列のＤＮＡが用いられる。具体的には、例えば、後述する蛍光標識ＤＮＡで用いるのと同じ細胞検体から作成したｃＤＮＡライブラリを用いることができる。

１つのスポット６０はダブルゲートトランジスタ２０上に重なるように形成されている。なお、１つのスポット６０に重なったダブルゲートトランジスタ２０の数は異なっていてもよい。

〔５〕分析装置
生体高分子分析チップ１を分析装置７０にセッティングして用いるので、まず分析装置７０について説明する。図５は分析装置７０の構成を示すブロック図であり、図６は分析装置７０の概略立面図である。

図５に示すように、分析装置７０は、生体高分子分析チップ１と、生体高分子分析チップ１の外周部を保持する支持枠７１と、励起光照射装置７３と、支持枠７１に設けられ固体撮像デバイス１０と接続されるトップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５、ドレインドライバ７６と、出力装置７７と、冷却枠９１と、冷却枠冷却装置９２と、受光面側冷却板９５と、冷却板冷却装置９６と、冷却板移動装置９７と、これらを制御する制御装置８０と、記憶装置８２とを備える。

支持枠７１は生体高分子分析チップ１を保持する保持穴７１ａを有する。図６において、生体高分子分析チップ１が受光面側を上にして支持枠７１の保持穴７１ａにセッティングされた場合には、固体撮像デバイス１０のトップゲートライン２２ａ，２２ａがトップゲートドライバ７４の端子に、ボトムゲートライン１２ａ，１２ａがボトムゲートドライバ７５の端子に、ドレインライン１９ａ，１９ａがドレインドライバ７６の端子に、それぞれ接続されるようになっている。また、ソースライン１８ａ，１８ａが一定電圧源に接続され、この例ではソースライン１８ａ，１８ａ，…が接地されるようになっている。

トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６は、協同して固体撮像デバイス１０を駆動するものである。
励起光照射装置７３は、生体高分子分析チップ１の受光面側に配置され、後述する蛍光体を励起する励起光を生体高分子分析チップ１に照射する。励起光照射装置７３の光源は面光源である。

冷却枠９１は生体高分子分析チップ１の裏側に配置され、生体高分子分析チップ１の下面よりもやや小さい開口９１ａを有し、開口９１ａの縁部で生体高分子分析チップ１の下面の外周部と当接する。この開口９１ａが設けられていることで、後述する励起光照射装置７３により生体高分子分析チップ１に励起光が照射されたときに、固体撮像デバイス１０の裏側まで透過した励起光が冷却枠９１により反射されることを防ぐことができる。
冷却枠冷却装置９２は冷却枠９１を冷却することにより、生体高分子分析チップ１を冷却する。

受光面側冷却板９５は冷却板移動装置９７により上下方向、水平方向（図６の左右方向）に移動される。受光面側冷却板９５は生体高分子分析チップ１が支持枠７１に保持された状態において、サンプルの検出を行う前に生体高分子分析チップ１の上面と当接するとともに、サンプルの検出時に生体高分子分析チップ１の上部から退去される。
冷却板冷却装置９６とは受光面側冷却板９５を冷却することにより、生体高分子分析チップ１を冷却する。

制御装置８０は、記憶装置８２に格納されたプログラムに従って分析装置７０を駆動する。
制御装置８０は、励起光照射装置７３、冷却枠冷却装置９２、冷却板冷却装置９６、冷却板移動装置９７の駆動を制御する。

また、制御装置８０は、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に制御信号を出力することによって、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に固体撮像デバイス１０の駆動動作を行う。

また、制御装置８０はドレインドライバ７６から入力した電気信号をＡ／Ｄ変換することで、各ダブルゲートトランジスタ２０の出力値を得て、固体撮像デバイス１０の受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして取得し、記憶装置８２に記憶する機能を有する。

さらに、制御装置８０は記憶装置８２に記憶した画像データに従った画像を出力装置７７に出力させる機能を有する。
出力装置７７はプロッタ、プリンタ又はディスプレイであり、制御装置８０から出力された信号により出力（表示又はプリント）を行う。

〔６〕蛍光標識ＤＮＡの作成
上記生体高分子分析チップ１で分析する試料としては、ＤＮＡを用いることができる。試料となるＤＮＡとしては、任意の細胞検体内で発現しているｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いるＲＴ−ＰＣＲ反応により得られたｃＤＮＡを用いることができる。ｃＤＮＡは蛍光体で標識する。蛍光体は、励起光照射装置で制御される励起光源から出射される励起光で励起されるものであってその励起光によって蛍光を発するものを選択するが、蛍光体としては、例えばＣｙＤｙｅのＣｙ２（アマシャム社製）がある。

ｃＤＮＡを蛍光体で標識するには、例えば、蛍光体で標識されたオリゴｄＴプライマや、標識されたｄＮＴＰミックスを用いてＲＴ−ＰＣＲ反応を実施すればよい。以下では、この標識されたｃＤＮＡを蛍光標識ＤＮＡという。

〔７〕ハイブリダイゼーション
以下、蛍光標識ＤＮＡをプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションさせる方法について説明する。まず、作業者が、図７に示すように、蛍光体６４で標識した蛍光標識ＤＮＡ６２を含有した溶液６５（以下、蛍光標識ＤＮＡ溶液６５という）をウェル４２内に注入する。なお、蛍光標識ＤＮＡ溶液６５をウェル４２内のスポット６０，６０，…に順次又は同時に滴下してもよい。このとき、蛍光標識ＤＮＡ６２及びプローブＤＮＡ６１が一本鎖となるように蛍光標識ＤＮＡ溶液６５は加熱されている。

次いで、プローブＤＮＡ６１と蛍光標識ＤＮＡ６２とがハイブリダイゼーションを引き起こすように、生体高分子分析チップ１のウェル４２を所定の温度に冷却する。すると、図８に示すように、ウェル４２内に注入された蛍光標識ＤＮＡ溶液６５内の蛍光標識ＤＮＡ６２のうち、スポット６０のプローブＤＮＡ６１と相補的なものは、プローブＤＮＡ６１とハイブリダイズする。一方、プローブＤＮＡ６１と相補的ではない蛍光標識ＤＮＡ６２は、そのスポット６０には結合しない。
その後、ウェル４２内の蛍光標識ＤＮＡ溶液６５を洗浄用バッファー溶液で洗い流し、蛍光標識ＤＮＡ６２のうちプローブＤＮＡ６１とハイブリダイズしなかったものをウェル４２内から除去する。

〔８〕生体高分子分析チップの冷却
上記処理を行った生体高分子分析チップ１を分析装置７０にセッティングし、冷却を行う。
まず、起動された制御装置８０が冷却板移動装置９７を駆動して、図９（ａ）に示すように、受光面側冷却板９５を水平方向に移動させ、支持枠７１の上部から退去させる。その後、生体高分子分析チップ１を支持枠７１の保持穴７１ａにセッティングする。
その後、制御装置８０は冷却板移動装置９７を駆動して、図９（ｂ）に示すように、受光面側冷却板９５を水平方向に移動させ、支持枠７１の上部に配置させた後、受光面側冷却板９５を支持枠７１及び生体高分子分析チップ１の上に載置する。

次に、制御装置８０は、冷却枠冷却装置９２及び冷却板冷却装置９６を駆動し、冷却枠９１及び受光面側冷却板９５を冷却することで、生体高分子分析チップ１を上下面より冷却する。これにより、固体撮像デバイス１０の暗電流を減少させ、サンプル検出時のノイズを低減することができる。

また、生体高分子分析チップ１の上面を受光面側冷却板９５で覆うことにより、ウェル４２内に外部から光が入ることを防ぐことができる。これにより、サンプルの検出を行うまでに蛍光体６４が外部の光により退色するのを防ぐことができる。
固体撮像デバイス１０が充分に冷却されたら、蛍光標識ＤＮＡ６２の検出を行うために、制御装置８０により冷却板移動装置９７を駆動して、図６に示すように、受光面側冷却板９５を水平方向に移動させ、支持枠７１の上部から退去させる。これにより、励起光照射装置７３が励起光を受光面に照射することが可能となる。

〔９〕サンプルの検出
次に、制御装置８０により励起光照射装置７３を制御し、生体高分子分析チップ１に励起光を照射する。
蛍光標識ＤＮＡ６２がプローブＤＮＡ６１に結合したスポット６０からは、励起光により励起された蛍光体６４が励起状態から基底状態に遷移するときに蛍光（主に可視光波長域）が放出される。放出された蛍光はダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜１４に入射する。
なお、励起光のうち、蛍光体６４の励起に用いられないものは、保護絶縁膜２３、トップゲート絶縁膜２１、ボトムゲート絶縁膜１３、透明基板１１を透過し、開口９１ａを通過して分析装置７０の下部に放射される。このため、励起光が反射するのを防ぐことができる。

蛍光が入射したダブルゲートトランジスタ２０では、半導体膜１４側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜１５側には電子が発生する。
その後、制御装置８０は、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に制御信号を出力することによって、ドレインライン１９ａから各ダブルゲートトランジスタ２０の電子−正孔対に応じた出力信号を得て、この信号をＡ／Ｄ変換する。その後、制御装置８０は、各ダブルゲートトランジスタ２０の出力値を得て、固体撮像デバイス１０の受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして記憶装置８２に記憶する。また、制御装置８０は画像データを出力装置７７により出力する。

作業者は出力された画像データより、各スポット６０，６０，…におけるハイブリダイゼーションの有無を確認することができる。ハイブリダイゼーションが起きていれば、そのスポット６０のプローブＤＮＡ６１と相補的な塩基配列のｍＲＮＡが細胞検体内で生成されていることがわかる。このため、蛍光が検出されたスポット６０のプローブＤＮＡ６１の種類により、検体内でどのような遺伝子が発現しているかを直接確認することができる。

＜変形例＞
次に、本実施形態の変形例に係る分析装置１７０について説明する。図１０は分析装置１７０の構成を示すブロック図であり、図１１は分析装置１７０の概略立面図である。
本変形例に係る分析装置１７０は、図１０、図１１に示すように、生体高分子分析チップ１と、生体高分子分析チップ１の外周部を保持する支持枠１７１と、励起光照射装置１７３と、支持枠１７１に設けられ固体撮像デバイス１０と接続されるトップゲートドライバ１７４、ボトムゲートドライバ１７５、ドレインドライバ１７６と、出力装置１７７と、冷却枠１９１と、冷却枠冷却装置１９２と、裏側冷却板１９３と、裏側冷却板冷却装置１９４と、受光面側冷却板１９５と、受光面側冷却板冷却装置１９６と、冷却板移動装置１９７と、冷却枠移動装置１９８と、これらを制御する制御装置１８０と、記憶装置１８２とを備える。なお、第１実施形態と同様の構成については、下２桁に同符号を付して説明を割愛する。

本変形例においては、冷却枠１９１と支持枠１７１との間に裏側冷却板１９３と、裏側冷却板１９３を冷却する冷却装置１９４とが配置されている。裏側冷却板１９３は受光面側冷却板１９５とともに冷却板移動装置１９７により上下方向、水平方向に移動される。また、本変形例においては、冷却枠１９１を上下に移動させる冷却枠移動装置１９８が設けられている。

本変形例においては、〔８〕生体高分子分析チップの冷却を、以下のように行う。
まず、図１２（ａ）に示すように、起動された制御装置１８０が冷却枠移動装置１９８を駆動して冷却枠１９１を下降させる。次いで、制御装置１８０が冷却板移動装置１９７を駆動して裏側冷却板１９３、受光面側冷却板１９５を水平方向に移動させ、支持枠１７１の下部及び上部から退去させる。その後、〔７〕ハイブリダイゼーションの処理を行った生体高分子分析チップ１を支持枠１７１の保持穴１７１ａにセッティングする。

その後、制御装置１８０は冷却板移動装置１９７を駆動して、図１２（ｂ）に示すように、裏側冷却板１９３及び受光面側冷却板１９５を水平方向に移動させ、支持枠７１の下部及び上部に当接させる。
その後、制御装置１８０は、冷却装置１９４，１９６を駆動し、裏側冷却板１９３及び受光面側冷却板１９５を冷却することで、生体高分子分析チップ１を上下面より冷却する。

固体撮像デバイス１０が充分に冷却されたら、蛍光標識ＤＮＡ６２の検出を行うために、制御装置１８０により冷却板移動装置１９７を駆動して、図１１に示すように、裏側冷却板１９３及び受光面側冷却板１９５を水平方向に移動させ、支持枠１７１の下部及び上部から退去させる。

次に、制御装置１８０が冷却枠移動装置１９８を駆動して冷却枠１９１を上昇させ、支持枠１７１の下面に当接させる。その後、制御装置１８０は、冷却装置１９２を駆動し、冷却枠１９１を冷却することで、生体高分子分析チップ１を下面より冷却する。

以後、〔９〕サンプルの検出と同様にして、分析装置１７０による光量データの計測動作を行うことができる。
なお、冷却枠１９１を上下に移動させる代わりに、支持枠１７１を上下に移動させてもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る生体高分子分析チップ１０１について図１３を用いて説明する。図１３は生体高分子分析チップ１０１を示す断面図である。この生体高分子分析チップ１０１は、抗原タンパクを検出する抗体チップである。なお、生体高分子分析チップ１と同様の構成については下２桁に同符号を付して説明を割愛する。

抗体チップでは、プローブとして、検出する既知のタンパク質や糖鎖等の抗原と結合する抗体（以下、プローブ抗体という）を用いる。
具体的には、生体高分子分析チップ１０１のウェル１４２にプローブ抗体１６１を含む溶液を滴下し、乾燥してスポット１６０を形成する。なお、ウェル１４２に滴下されるプローブ抗体１６１はそれぞれ異なるタンパク質を抗原とし、同じスポット１６０を形成するプローブ抗体１６１は同一の抗原決定基を認識する。プローブ抗体１６１となる抗体としては、モノクローナル抗体を用いることができる。

次に、サンプルとなる抗原１６２を含む溶液（以下、サンプル溶液という）をウェル１４２内に注入する。
プローブ抗体１６１にサンプル溶液中の抗原１６２が結合するのに充分な時間が経過した後、ウェル１４２内のサンプル溶液をバッファー溶液で洗い流し、サンプル溶液とともに抗原１６２のうちプローブ抗体１６１と結合しなかったものをウェル１４２内から除去する。

次に、ウェル１４２に、プローブ抗体１６１が認識するのと同じ抗原１６２の異なる抗原決定基を認識する抗体を蛍光体１６４で標識したもの（以下、蛍光標識抗体１６３という）の溶液１６５（以下、蛍光標識抗体溶液という）を注入する。
プローブ抗体１６１に結合した抗原１６２と蛍光標識抗体１６３とが結合するのに充分な時間が経過した後、ウェル１４２内の蛍光標識抗体溶液をバッファー溶液で洗い流し、蛍光標識抗体溶液中の蛍光標識抗体１６３のうち抗原１６２と結合しなかったものをウェル１４２内から除去する。
以後、第１実施形態の〔８〕生体高分子分析チップの冷却、〔９〕サンプルの検出と同様にして、分析装置７０または分析装置１７０による光量データの計測動作を行う。

図１３に示すように、プローブ抗体１６１に抗原１６２が結合し、抗原１６２に蛍光標識抗体１６３が結合したスポット１６０では、励起光により蛍光標識抗体１６３の蛍光体１６４が励起される。励起状態の蛍光体１６４が基底状態に遷移するときに蛍光が放出され、放出された蛍光がダブルゲートトランジスタ１２０により検出される。

作業者は出力された画像データより、各スポット１６０，１６０，…における抗原１６２の有無を確認することができる。このため、蛍光が検出されたスポット１６０のプローブ抗体１６１の種類により、検体内でどのようなタンパク質（抗原１６２）が生成されているかを直接確認することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。
例えば、上記実施の形態では、冷却材として受光面側冷却材、裏側冷却材、第二の裏側冷却材を用いたが、これらは一つの形態でありもちろんこれに限るものではなく、前記３つの冷却材のうちいずれか１つ以上を用いればよい。
例えば、プローブとして既知の塩基配列の一本鎖ＤＮＡや抗体を用いたが、その他の既知の生体高分子や低分子等を用いてもよい。
例えば、抗原となるペプチドやタンパク、糖鎖、低分子リガンド、既知の細胞等を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る生体高分子分析チップ１の概略平面図である。 図１のII−II矢視断面図である。 固体撮像デバイス１０のダブルゲートトランジスタ２０を示す平面図である。 図３のIV−IV矢視断面図である。 分析装置７０の構成を示すブロック図である。 分析装置７０の概略立面図である。 蛍光標識ＤＮＡ６２をプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションさせる方法の説明図である。 蛍光標識ＤＮＡ６２をプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションさせる方法の説明図である。 （ａ），（ｂ）ともに本発明の第１実施形態に係る生体高分子分析チップの冷却動作の説明図である。 第１の実施形態の変形例に係る分析装置１７０の構成を示すブロック図である。 分析装置１７０の概略立面図である。 （ａ），（ｂ）ともに本発明の第１実施形態の変形例に係る生体高分子分析チップの冷却動作の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る生体高分子分析チップ１０１を示す断面図である。

符号の説明

１０，１１０ 固体撮像デバイス（撮像装置）
２０，１２０ ダブルゲートトランジスタ（光電変換素子）
６１ プローブＤＮＡ（プローブ）
６２ 蛍光標識ＤＮＡ（生体高分子）
６４，１６４ 蛍光体
７０，１７０ 分析装置（蛍光検出装置、生体高分子分析装置）
７３，１７３ 励起光照射装置
９１，１９１ 冷却枠
９１ａ 開口
９５，１９５ 受光面側冷却板
１６１ プローブ抗体（プローブ）
１６２ 抗原（生体高分子）
１９３ 裏側冷却板

Claims (9)

1. 光電変換素子を有し、受光面側に配置された蛍光体より放射される蛍光を検出する撮像装置と、
   前記光電変換素子が配置された範囲と範囲外との間で移動可能に設けられた受光面側冷却材とを備え、
   前記受光面側冷却材は、蛍光検出前に前記光電変換素子が配置された範囲に配置され、前記撮像装置を冷却するとともに前記光電変換素子の受光面を遮光し、
   蛍光検出時に前記光電変換素子が配置された範囲外に退去されることを特徴とする蛍光検出装置。
2. 光電変換素子を有し、受光面側に配置された蛍光体より放射される蛍光を検出する撮像装置と、
   前記光電変換素子が配置された範囲と範囲外との間で移動可能に設けられた受光面側冷却材と、
   前記撮像装置の裏側に配置され、前記撮像装置を冷却する裏側冷却材と、
   前記裏側冷却材と前記撮像装置との間に配置され、蛍光検出前に前記光電変換素子が配置された範囲に配置され、前記撮像装置を冷却するとともに、蛍光検出時に前記光電変換素子が配置された範囲外に退去される第二の裏側冷却材とを備えることを特徴とする蛍光検出装置。
3. 光電変換素子を有し、受光面側に配置された蛍光体より放射される蛍光を検出する撮像装置と、
   前記光電変換素子が配置された範囲と範囲外との間で移動可能に設けられた受光面側冷却材と、
   前記撮像装置の裏側に配置され、前記撮像装置を冷却する裏側冷却材とを備え、
   前記裏側冷却材には、前記光電変換素子が配置される範囲に開口が設けられていることを特徴とする蛍光検出装置。
4. 前記撮像装置の裏側に配置され、前記撮像装置を冷却する裏側冷却材を備えることを特徴とする請求項１に記載の蛍光検出装置。
5. 前記裏側冷却材と前記撮像装置との間に配置され、蛍光検出前に前記光電変換素子が配置された範囲に配置され、前記撮像装置を冷却するとともに、蛍光検出時に前記光電変換素子が配置された範囲外に退去される第二の裏側冷却材をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の蛍光検出装置。
6. 前記裏側冷却材には、前記光電変換素子が配置される範囲に開口が設けられていることを特徴とする請求項２、４又は５に記載の蛍光検出装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の蛍光検出装置と、
   前記撮像装置の受光面に設けられ、特定の生体高分子と結合するプローブとを備えることを特徴とする生体高分子分析装置。
8. 前記プローブは既知の塩基配列からなる一本鎖ＤＮＡを有することを特徴とする請求項７に記載の生体高分子分析装置。
9. 前記プローブは特定の抗原と結合する抗体であることを特徴とする請求項７に記載の生体高分子分析装置。

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